CN104155976A - 自主式球轮移动机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种球轮移动机器人及其控制方法。自主式球轮移动机器人包括：球形轮(1)、万向轮驱动机构(2)、支撑结构(3)、助力支架(6)、控制模块(4)以及传感器；其中传感器检测机器人姿态和环境信息；控制模块(4)分析环境信息得出控制策略，通过平衡和运动控制算法得到控制策略，向万向轮驱动机构(2)发送控制信号；万向轮驱动机构(2)根据控制信号驱动直流电机转动来带动球形轮(1)运动，从而实现对机器人的姿态和运动控制。本发明可以自动实现静态和动态平衡，可通过无障碍通道，机动性好，环境适应能力强。

Description

自主式球轮移动机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种球轮移动机器人及其控制方法。

背景技术

球形轮式移动机器人的研究已经成为了动态稳定机器人研究的热点。世界上第一个球轮机器人是在2005年由卡内基梅隆大学研发的，叫做CMU Ballbot，该机器人有成年人体形大小，采用逆鼠标驱动结构，该款机器人只能够实现动态平衡，掉电状态下没有使机器人静态稳定的机构，同时需要额外的偏航机构实现偏航运动。2009年新版的CMU Ballbot设计了腿式支架，解决了机器人静态不稳定的问题。但是腿式支架的结构复杂，同时使机器人的控制更加复杂。2008年日本东北学院大学设计了BallIP机器人，该机器人采用三组对称式万向轮驱动机构，该驱动机构包括三套驱动机构和三个电机驱动器，这种驱动形式可以实现机器人的偏航控制，无需另设计偏航机构。但该BallIP机器人没有设计静态稳定的机构，同时机器人对复杂路面的适应能力较差。

发明内容

本发明的目的是：提出一种新的自主式球轮机器人结构及其控制系统，通过改进机械结构解决机器人静态不稳定的问题，实现机器人由静态稳定和动态稳定的自动切换，实现机器人无障碍通道的通行，提高机器人的环境适应能力。

本发明的技术方案一：自主式球轮移动机器人，它包括：球形轮、万向轮驱动机构以及支撑结构，它还包括：助力支架、控制模块以及传感器；

助力支架包括：支架内环、支架外环以及万向脚轮；支架内环与支架外环通过固定件连接，万向脚轮对称分布在支架外环，支架内环套接在球形轮的球面外，并通过支架与支撑结构固定连接；当机器人倾斜时，万向脚轮与地面接触起支撑作用；

传感器包括：姿态传感器以及环境传感器；环境传感器用于获取环境图像或者环境坐标；姿态传感器用于获取机器人的姿态数据；

控制模块包括：主控器和电池管理模块；主控器根据接收到的环境传感器信息进行环境识别，由环境识别结果进行路径规划和选择控制策略，并根据姿态传感器发送的姿态信息解算出对万向轮驱动机构的控制量，并依此对万向轮驱动机构进行驱动；电池管理模块包括：控制系统电源模块和驱动系统电源模块。

本发明的技术方案二：自主式球轮移动机器人的控制方法，它基于如技术方案一所述的自主式球轮移动机器人，并包括以下步骤：

A.机器人上电后由主控器完成接口、姿态传感器以及环境传感器的初始化操作；

B.主控器读取环境传感器的环境数据，对环境数据进行处理并识别障碍物，规划可行路径；同时主控器读取姿态传感器的姿态数据，结合环境数据对路面状况进行识别；

C.主控器通过路面识别结果，决策选定机器人执行运动控制策略；

D.主控器读取万向轮驱动机构中直流电机的数据，解算出球形轮的速度；主控器结合的机器人姿态数据，并根据选定的控制策略推算出对直流电机的控制量，并将该控制量发送给万向轮驱动机构进行双环控制，执行运动控制策略；

E.重复步骤B、C、D，使得机器人在环境中稳定运动。

本发明的有益效果是：(1)本发明基于球轮机器人平台，能实现动态稳定机器人快速机动、灵活性好的优点，可全向运动，对复杂环境或有限空间有很强的适应能力。

(2)本发明设计的助力支架，可以实现机器人全方位静止停靠，弥补了动态稳定机器人在静态极度不稳定的缺陷；助力支架可以辅助机器人实现任意方位倾斜站立，增强了动态稳定机器人自主启动的能力，使得机器人在室内无人环境下的适应能力更强；环形支架上的全向脚轮设计，有效减小了机器人启动时与地面的摩擦力，降低了对驱动系统的出力要求；助力支架结构简单，紧贴机器人的轮式结构设计，当机器人进入动态稳定状态后，不影响机器人的运动控制。

(3)本发明设计的双闭环可变结构控制方法，可以根据实时环境实现机器人静态停靠、自主启动、静态稳定和动态稳定之间的自动切换、行走及爬坡控制，在增强机器人自主运行能力的同时，使得机器人对环境的适应能力更强，提高了机器人的实用性。对以本发明在室内环境下作为基础运动平台的应用打下了坚实的基础。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中助力支架的俯视图；

图3为本发明中助力支架的侧视图；

图4为本发明中万向轮驱动机构的俯视图；

图5为本发明中万向轮驱动机构的侧视图；

图6为本发明中控制模块的双闭环控制流程图；

图7为本发明的启动测试图；

图8为本发明的爬坡测试图；

其中，1-球形轮、2-万向轮驱动机构、3-支撑结构、4-控制模块、5-环境传感器、6-助力支架、12-支架内环、13-支架外环、14-万向脚轮、24-姿态控制闭环、25-姿态调节器、26-触发器、27-球轮速控制闭环、28-球速调节器、29-周期开关、30-姿态传感器。

具体实施方式：

实施例1：参见附图1，自主式球轮移动机器人，它包括：球形轮1、万向轮驱动机构2、支撑结构3、助力支架6、控制模块4以及传感器；

参见附图2、3，助力支架6包括：支架内环12、支架外环13以及万向脚轮14；支架内环12与支架外环13通过固定件连接，万向脚轮14对称分布在支架外环13，支架内环12套接在球形轮1的球面外，并通过支架与支撑结构3固定连接；当机器人倾斜时，万向脚轮14与地面接触起支撑作用；

传感器包括：姿态传感器30以及环境传感器5；环境传感器5用于获取环境图像；姿态传感器30用于获取机器人的姿态数据，它包括：陀螺仪、磁强计和三轴的加速度计；

控制模块4包括：主控器、电池管理模块和无线通信模块；主控器根据接收到的环境传感器5信息进行环境识别，由环境识别结果进行路径规划并选择控制策略，并根据姿态传感器30发送的姿态信息解算出对万向轮驱动机构2的控制量，并依此对万向轮驱动机构2进行驱动；电池管理模块包括：控制系统电源模块和驱动系统电源模块；所述控制系统电源模块包括锂电池组、电源监控模块和稳压模块，电源监控模块对电池组进行实时监测，具有短路、过压和过流的保护功能，锂电池组经多个稳压模块稳压输出不同的电平给主控器供电；驱动系统电源模块包括三组大容量锂电池组和电源监控模块，三组电池组分别向三套驱动系统供电；主控器将接收到的环境识别结果、姿态信息以及对万向轮驱动机构2的输出控制量均通过无线通信模块上报至上层管理系统。

球形轮1为双层结构，其内层为中空的金属球壳，外层为等厚的橡胶包覆层；

参见附图4、5，万向轮驱动机构2包括万向驱动轮、直流电机、电机驱动器和电机支架；电机支架包括：一个圆盘和三个V型弯角件，V型弯角件的夹角为135°；直流电机配有减速箱，尾部安装有测速码盘，直流电机通过V型弯角件固定在圆盘上，电机输出轴与圆盘面夹角为45°，三个V型弯角件以120°等间距分布；万向驱动轮固定在减速箱的输出端；万向轮驱动机构2放置在球形轮1上，通过三个万向驱动轮与球形轮1接触；三个万向驱动轮与球形轮1垂直相切，法平面过球形轮1的球心；电机驱动器包括微处理器、功率放大器以及连接测速码盘的接口和主控器通信的接口，电机驱动器安装于支撑结构3；

支撑结构3包括：护球臂、圆盘连接件、支脚、控制平台、支筋和载物平台；护球臂限制球形轮1与万向驱动轮之间的相对位置；圆盘连接件通过支脚连接控制平台，并作为护球臂和弯角件的固定平台；控制平台承载控制模块4和姿态传感器30，并通过支筋支撑载物平台；

本发明的工作流程为：环境传感器5和姿态传感器30实时采集并向控制模块4中的主控器发送数据，主控器接收传感器数据，分析环境信息，解算机器人姿态，根据分析结果分别决策机器人静止停靠、原地起立、定点平衡或者旋转、定向行走和上下爬坡等运动控制策略；读取电机数据和机器人角速度数据，估算出球轮的速度；结合机器人姿态数据，并根据选定的控制策略推算出三个电机的转速，通过串口将电机转速控制量发送给万向轮驱动机构2；万向轮驱动机构2接收电机的控制量，对电机转速进行闭环控制，以此提高驱动轮的转速响应能力；在驱动轮的带动下，球轮实时调节转速，最终实现机器人的姿态稳定和运动控制。

实施例2：自主式球轮移动机器人的控制方法，它基于如实施例1所述的自主式球轮移动机器人，并包括以下步骤：

A.机器人上电后由主控器完成接口、姿态传感器30以及环境传感器5的初始化操作；

B.主控器读取环境传感器5的环境数据，对环境数据进行处理并识别障碍物，规划可行路径；同时主控器读取姿态传感器30的姿态数据，结合环境数据对路面状况进行识别；

C.主控器通过路面识别结果，决策选定机器人执行运动控制策略；

D.主控器读取万向轮驱动机构2中直流电机的数据，解算出球形轮1的速度；主控器结合的机器人姿态数据，并根据选定的控制策略推算出对直流电机的控制量，并将该控制量发送给万向轮驱动机构2进行双环控制，执行运动控制策略；

E.重复步骤B、C、D，使得机器人在环境中稳定运动。

参见附图6，步骤D中，双闭环控制为由姿态调节器25实现调节的姿态控制闭环24以及由球速调节器28实现调节的球轮速控制闭环27；

步骤B结束后，当路面识别结果为平地时，同时机器人处于大角度倾斜、静止状态时，主控器进行原地起立控制策略：主控器将目标姿态角设定为0，同时仅采用姿态控制闭环24，对姿态角度进行调节，对直流电机转速以及姿态角速度进行监测，姿态调节器采用模糊PD调节器；

当监测到的机器人的姿态角和角速度达到触发器26的触发阈值时，主控器进行闭合触发器26控制的常开开关，切入球轮速控制闭环27，进行稳定控制策略：主控器将球轮速度设定为0，通过直流电机转速和姿态角速度解算球形轮1的转速；周期开关29用于调节球轮速控制闭环27的调节周期，使得球轮速控制闭环27的有效作用频率比姿态控制闭环24的有效作用频率小；本阶段，球速调节器为PI调节器，姿态调节器为PD调节器；周期开关29断开阶段，主控器通过惯性滤波器平滑输出姿态角的设定值；

机器人自动启动及稳定控制过程的姿态数据随时间的变化，如图7所示，图中横轴为时间，纵轴为姿态角或者姿态角速度。图中，黑色粗线为机器人的俯仰角，淡色粗线为机器人的横滚角，黑色细线为机器人的俯仰角速度，淡色细线为机器人的横滚角速度。可以看到，机器人以-10.8°的俯仰角和-3.2°的横滚角启动，迅速站立，最后机器人的姿态角稳定在±1.5°以内，角速度稳定在±0.15°/s。

步骤B结束后，当路面识别结果为平地时，同时机器人处于直立动态平衡状态时，主控器采用姿态控制闭环24和球轮速控制闭环27双闭环控制进行行走控制策略；调节过程同所述稳定控制过程，球速调节器为PI调节器，姿态调节器为PD调节器，此时设定的球速方向与路径规划的结果有关，速度的幅值为测定值。

步骤B结束后，当路面识别结果为坡地时，同时机器人受到冲击减速时，主控器则采用姿态控制闭环24和球轮速控制闭环27双闭环控制进行爬坡控制策略，此时姿态调节器为PD调节器，球速调节器为模糊PI调节器；机器人从平地到坡地、爬坡和从坡地到平地的控制数据如图8所示。图中坐标轴同所述图7的坐标轴，为便于观察，将角速度数据向纵轴负方向平移了-3°/s。所述机器人接触到斜面之后，机器人的俯仰角速度发生较大的变化，检测到这个变化之后，机器人逐渐调节其俯仰角至5°左右，并保持前倾的姿态爬坡。

步骤B结束后，当路面识别结果为坡地时，同时机器人受到冲击加速时，表明机器人爬完坡地之后进入平地，主控器则采用姿态控制闭环24和球轮速控制闭环27双闭环控制进行稳定控制策略，此时姿态调节器为PD调节器，球速调节器为模糊PI调节器。球轮速度迅速变化，使机器人的姿态迅速向平衡位置收敛，运动趋向稳定。

Claims (9)

1.自主式球轮移动机器人，它包括：球形轮(1)、万向轮驱动机构(2)以及支撑结构(3)，其特征在于，它还包括：助力支架(6)、控制模块(4)以及传感器；

所述助力支架(6)包括：支架内环(12)、支架外环(13)以及万向脚轮(14)；所述支架内环(12)与所述支架外环(13)通过固定件连接，所述万向脚轮(14)对称分布在所述支架外环(13)，所述支架内环(12)套接在所述球形轮(1)的球面外，并通过支架与所述支撑结构(3)固定连接；当所述机器人倾斜时，所述万向脚轮(14)与地面接触起支撑作用；

所述传感器包括：姿态传感器(30)以及环境传感器(5)；所述环境传感器(5)用于获取环境图像或者环境坐标；所述姿态传感器(30)用于获取所述机器人的姿态数据；

所述控制模块(4)包括：主控器和电池管理模块；所述主控器根据接收到的所述环境传感器(5)信息进行环境识别，由环境识别结果进行路径规划和选择控制策略，并根据所述姿态传感器(30)发送的姿态信息解算出对所述万向轮驱动机构(2)的控制量，并依此对所述万向轮驱动机构(2)进行驱动；所述电池管理模块包括：控制系统电源模块和驱动系统电源模块。

2.如权利要求1所述的自主式球轮移动机器人，其特征在于，所述球形轮(1)为双层结构，其内层为中空的金属球壳，外层为等厚的橡胶包覆层。

3.如权利要求1所述的自主式球轮移动机器人，其特征在于，所述姿态传感器(30)包括：陀螺仪、磁强计和三轴的加速度计。

4.如权利要求1或2或3所述的自主式球轮移动机器人，其特征在于，所述万向轮驱动机构(2)包括万向驱动轮、直流电机、电机驱动器和电机支架；电机支架包括：一个圆盘和三个V型弯角件，所述V型弯角件的夹角为135°；所述直流电机配有减速箱，尾部安装有测速码盘，所述直流电机通过所述V型弯角件固定在所述圆盘上，电机输出轴与所述圆盘面夹角为45°，三个所述V型弯角件以120°等间距分布；所述万向驱动轮固定在所述减速箱的输出端；所述万向轮驱动机构(2)放置在所述球形轮(1)上，通过三个所述万向驱动轮与所述球形轮(1)接触；三个所述万向驱动轮与所述球形轮(1)垂直相切，法平面过所述球形轮(1)的球心；所述电机驱动器包括微处理器、功率放大器以及连接所述测速码盘的接口和所述主控器通信的接口，所述电机驱动器安装于所述支撑结构(3)。

5.如权利要求4所述的自主式球轮移动机器人，其特征在于，所述支撑结构(3)包括：护球臂、圆盘连接件、支脚、控制平台、支筋和载物平台；所述护球臂限制所述球形轮(1)与所述万向驱动轮之间的相对位置；所述圆盘连接件通过所述支脚连接所述控制平台，并作为所述护球臂和弯角件的固定平台；所述控制平台承载所述控制模块(4)和所述姿态传感器(30)，并通过所述支筋支撑所述载物平台。

6.如权利要求5所述的自主式球轮移动机器人，其特征在于，所述控制模块(4)还包括一个无线通信模块，所述主控器将接收到的环境识别结果、姿态信息以及对所述万向轮驱动机构(2)的输出控制量均通过所述无线通信模块上报至上层管理系统。

7.自主式球轮移动机器人的控制方法，它基于如权利要求1所述的自主式球轮移动机器人，并包括以下步骤：

A.所述机器人上电后由所述主控器完成接口、所述姿态传感器(30)以及所述环境传感器(5)的初始化操作；

B.所述主控器读取所述环境传感器(5)的环境数据，对环境数据进行处理并识别障碍物，规划可行路径；同时所述主控器读取所述姿态传感器(30)的姿态数据，结合环境数据对路面状况进行识别；

C.所述主控器通过路面识别结果，决策选定所述机器人执行运动控制策略；

D.所述主控器读取所述万向轮驱动机构(2)中直流电机的数据，解算出所述球形轮(1)的速度；所述主控器结合所述的机器人姿态数据，并根据选定的控制策略推算出对所述直流电机的控制量，并将该控制量发送给所述万向轮驱动机构(2)进行双环控制，执行运动控制策略；

E.重复步骤B、C、D，使得所述机器人在环境中稳定运动。

8.如权利要求7所述的自主式球轮移动机器人的控制方法，其特征在于，步骤D中，所述的双闭环控制为由姿态调节器(25)实现调节的姿态控制闭环(24)以及由球速调节器(28)实现调节的球轮速控制闭环(27)；

步骤B结束后，当路面识别结果为平地时，同时所述机器人处于倾斜、静止状态时，所述主控器进行原地起立控制策略：所述主控器将目标姿态角设定为0，同时仅采用所述姿态控制闭环(24)，对姿态角度进行调节，对直流电机转速以及姿态角速度进行监测；

当监测到的所述机器人的姿态角和角速度达到触发器(26)的触发阈值时，所述主控器进行闭合所述触发器(26)控制的常开开关，切入所述球轮速控制闭环(27)，进行稳定控制策略：所述主控器将球轮速度设定为0，通过直流电机转速和姿态角速度解算所述球形轮(1)的转速；周期开关(29)用于调节球轮速控制闭环(27)的调节周期，使得所述球轮速控制闭环(27)的作用周期比姿态控制闭环(24)的作用周期长；所述周期开关(29)断开阶段，所述主控器通过惯性滤波器平滑输出姿态角的设定值；

步骤B结束后，当路面识别结果为平地时，同时所述机器人处于倾斜、动态平衡状态时，所述主控器采用所述姿态控制闭环(24)和所述球轮速控制闭环(27)双闭环控制进行行走控制策略；

步骤B结束后，当路面识别结果为坡地时，同时所述机器人受到冲击减速时，所述主控器则采用所述姿态控制闭环(24)和所述球轮速控制闭环(27)双闭环控制进行爬坡控制策略；

步骤B结束后，当路面识别结果为坡地时，同时所述机器人受到冲击加速时，所述主控器则采用所述姿态控制闭环(24)和所述球轮速控制闭环(27)双闭环控制进行稳定控制策略。

9.如权利要求8所述的自主式球轮移动机器人的控制方法，其特征在于，所述姿态调节器(25)为PD调节器，所述球速调节器(28)为PI调节器。